寻迹小车智能控制系统的设计方案

寻迹小车智能控制系统的设计方案 1 绪 论 进入二十一世纪 随着计算机技术和科学技术的不断进步 机器人技术较以往已 经有了突飞猛进的提高 智能循迹小车即带有视觉和触觉的小车就是其中的典型代表 1 1 智能循迹小车概述 智能循迹小车又被称为 Automated Guided Vehicle 简称 AGV 是二十世纪五十 年代研发出来的新型智能搬运机器人 智能循迹小车是指装备如电磁 光学或其他自 动导引装置 可以沿设定的引导路径行驶 安全的运输车 工业应用中采用充电蓄电 池为主要的动力来源 可通过电脑程序来控制其选择运动轨迹以及其它动作 也可把 电磁轨道黏贴在地板上来确定其行进路线 无人搬运车通过电磁轨道所带来的讯息进 行移动与动作 无需驾驶员操作 将货物或物料自动从起始点运送到目的地 AGV 的另一个特点是高度自动化和高智能化 可以根据仓储货位要求 生产工艺流 程等改变而灵活改变行驶路径 而且改变运行路径的费用与传统的输送带和传送线相 比非常低廉 AGV 小车一般配有装卸机构 可与其它物流设备自动接口 实现货物装卸 与搬运的全自动化过程 此外 AGV 小车依靠蓄电池提供动力 还有清洁生产 运行过 程中无噪音 无污染的特点 可用在工作环境清洁的地方 1 1 1 循迹小车的发展历程回顾 随着社会的不断发展 科学技术水平的不断提高 人们希望创造出一种来代替人 来做一些非常危险 或者要求精度很高等其他事情的工具 于是就诞生了机器人这门 学科 世界上诞生第一台机器人诞生于 1959 年 至今已有 50 多年的历史 机器人技 术也取得了飞速的发展和进步 现已发展成一门包含 机械 电子 计算机 自动控 制 信号处理 传感器等多学科为一体的性尖端技术 循迹小车共历了三代技术创新 变革 第一代循迹小车是可编程的示教再现型 不装载任何传感器 只是采用简单的开 关控制 通过编程来设置循迹小车的路径与运动参数 在工作过程中 不能根据环境 的变化而改变自身的运动轨迹 支持离线编程的第二代循迹小车具有一定感知和适应环境的能力 这类循迹小车 装有简单的传感器 可以感觉到自身的的运动位置 速度等其他物理量 电路是一个 闭环反馈的控制系统 能适应一定的外部环境变化 第三代循迹小车是智能的 目前在研究和发展阶段 以多种外部传感器构成感官 系统 通过采集外部的环境信息 精确地描述外部环境的变化 智能循迹小车 能独 立完成任务 有其自身的知识基础 多信息处理系统 在结构化或半结构化的工作环 境中 根据环境变化作出决策 有一定的适应能力 自我学习能力和自我组织的能力 为了让循迹小车能独立工作 一方面应具有较高的智慧和更广泛的应用 研究各种新 机传感器 另一方面 也掌握多个多类传感器信息融合的技术 这样循迹小车可以更 准确 更全面的获得所处环境的信息 1 1 1 2 智能循迹分类 AGV 从发明至今已经有 50 多年的历史 随着应用领域范围的不断扩大 其种类和 形式也变得更加多样化 一般根据行驶的导航方式将智能循迹小车分为以下几种类型 1 电磁感应式 电磁感应式引导一般在地面上 沿预定路径埋电线 当高频电流通过导线 电线 周围产生电磁场流动 AGV 小车上安装两个对称的电磁感应传感器 他们收到的电磁 信号差异可以反映的 AGV 偏离程度路径的程度 AGV 自动化控制系统 基于这种偏差 值 以控制车辆的转向 连续的动态的闭环控制设置能够保证 AGV 对设定路径的稳定 自动跟踪 在目前商业用途的 AGV 中 特别是大型和中型小车 绝大多数都采用电磁 感应导航 2 激光式 安装有可旋转的激光扫描器的 AGV 可安装在墙壁或有高反射激光定位标志的支柱 上或者路径上运行 AGV 依靠激光扫描器发射激光束 然后接收由四周定位标志反射回 的激光束 车载计算机 计算出当前车辆的位置和运动方向 通过内置的数字地图和 校准位置相比 以实现自动处理 目前 这种 AGV 类型的应用比较广泛 基于同样的 原理 如果激光扫描仪被红外线发射器 或超声波发射取代 激光制导的 AGV 小车可 以转变为红外引导和超声引导的 AGV 3 视觉式 视觉引导式 AGV 是的迅速发展和比较成熟的 AGV 这种 AGV 配备 CCD 摄像机 传感 器和车载电脑 在车载计算机中设置有 AGV 欲行驶路径周围环境图像数库 在 AGV 的 行驶过程中 相机得到的图像与图像数据库进行比较 以确定当前位置和车辆周围的 图像信息并对驾驶下一步作出决定 这种 AGV 小车并不需要设置任何的人工物理路径 所以在理论上具有灵活性 在计算机图像采集 存储和处理技术飞速发展的今天 这 种类型的 AGV 实用性越来越强 此外 还有铁磁陀螺惯性引导式 AGV 光学引导式 AGV 等多种形式的 AGV 2 1 1 3 智能循迹小车的应用 智能循迹小车发展历史及主要应用场所如下 1 仓储业 1954 年 来自美国南卡罗来纳州的 Mercury Motor Freight 公司成为第一批把 AGV 小车的应用到仓库的使用者 来实现出入库货物的自动处理 至今世界上有超过 2100 个厂家把大约 2 万台大型或小型的 AGV 小车应用到自己的仓库中 中国的海尔集 团在 2000 年把 9 台 AGV 小车投产到了自己的仓库区 形成一个灵活的 AGV 自动数据库 处理系统 轻松地完成了每天至少 33500 的储存和装卸货物的任务 2 制造业 在制造业的的生产线中 AGV 小车大显身手 快速 精确 灵活的完成材料的运送 任务 由多台 AGV 小车组成的物流运输处理系统 较人工搬运系统来说更灵活 运输 路线可以根据生产过程及时调整 使一条生产线 生产十几个产品 大大提高了生产 的灵活性 企业的竞争力 在 1974 年瑞典的沃尔沃卡尔马的汽车组装厂 提高了运输 系统的灵活性 使用以 AGV 小车为载运工具的装配线 采用该装配线后 减少了 20 装 配时间 减少了 39 组装错误 减少了 57 投资资金回收时间以及减少了 5 的员工费用 目前 在世界主要的汽车生产厂家 如通用 丰田 克莱斯勒 大众 AGV 小车已被广 泛应用 3 邮局 图书馆 港口码头和机场 在邮局 图书馆 码头和机场候机楼等人口密集的公众场所 存在着大量的物品 的运送工作 充满不定性和动态性强的特点 搬运过程往往也很单一 AGV 有着可并行 工作 自动化 智能化和处理灵活的特点 可以很好的满足这些场合的运输要求 1983 年瑞典的大斯得哥尔摩邮局 1988 年日本东京的多摩邮局 1990 年中国上海的邮 政相继开始使用 AGV 小车来完成邮品的搬运工作 在荷兰的鹿特丹港口 50 辆被称为 院子里的拖拉机 的 AGV 小车每天都在把集装箱从船边运送到几百米以外的仓库中 4 烟草 医药 化工 食品 对于处理一些需要在清洁 安全 无排放污染等其他特殊环境要求的产品生产如 烟草 制药 食品 化工等产品时应考虑 AGV 小车的应用 在全国许多卷烟企业 如 青岛颐中集团 玉溪红塔集团 红河卷烟厂 淮阴卷烟厂 应用激光引导式 AGV 完成 托盘货物的搬运工作 1 2 智能循迹小车研究中的关键技术 现在全世界越来越多的国家都在做着研究智能化 多样化的自动汽车导航的工作 自动汽车导航是一个非常复杂的系统 它不仅应具有正常的运动功能的成分 而且还 应具有任务分析 路径规划 信息感知 自主决策等类似人类的智能行为 人类可以利用自己的听觉 视觉 味觉 触觉等功能获取事物的信息 人类的大 脑再根据已经掌握的知识对这些信息进行综合分析 从而全面了解认知事物 这样一 个认识事物 分析事物和处理信息的过程称之为信息融合过程 多传感器信息融合的 基本原理就是模仿人类大脑的这个过程 得到一个对复杂对象的一致性解释或结论 多传感器信息融合是协调多个分布在不同地点 相同或不同种类的传感器所提供的局 部不完整观测量信息加以综合 协调使用 消除可能存在的冗余和矛盾 并加以互补 以减少不确定性 得到对物体或环境的一致性描述的过程 4 多传感器信息融合具有许多性能上的优点 1 增加了系统的生存能力 2 减少 了信息的模糊性 3 扩展了采集数据覆盖范围 4 增加了可信度 5 改善了探测性 能 6 提高了空间的分辨力 7 改善了系统的可靠性 8 信息的低成本性 5 本文主要由五章组成 第 1 章为绪论 主要讲述循迹小车的发展历程及在目前所 应用领域中的作用 第 2 章为总体规划智能循迹小车系统的设计 包含主系统流程图 第 3 章是系统的硬件设计 其中包含单片机电路的设计 NRF24L01 无线模块 TSL1401 线性 CCD 模块和电机驱动电路等 第 4 章为系统的软件设计 主要介绍的是软件实现 过程的框图 第 5 章是制作安装与调试 最终保证了系统的正常运行 2 总体设计方案 2 1 整体设计方案 主单片机电路 直流电机 循迹模块 无线遥控器 电机驱动模块 图 2 1 系统总体框图 智能循迹小车主要包括了无线遥控器 线性 CCD 循迹模块 电机驱动模块 小车车 模等 通过无线传输的数据或者线性 CCD 检测道路黑线处理得到数据 从而通过电机 驱动模块控制电机的状态和舵机的转向 最终实现小车可以无线遥控器控制 或者自 动识别路线 完成循迹行车 2 1 1 无线遥控器的设计方案 单片机电路 无线发送模块 电源模块 摇杆模块LCD显示模块 图 2 2 无线遥控器控制系统结构框图 无线遥控器主要有 STC12C5A60S2 单片机主控电路模块 NRF24L01 无线发射模块 手机锂电池充 供电模块 NOKIA5110 显示模块 TL431 基准电压模块和摇杆模块等 主要工作原理是通过 STC12C5A60S2 单片机控制 AD 采集摇杆的 X Y 轴电位值 并 将电位值通过 NRF24L01 无线模块发送给小车 从而控制小车转向和加 减速等 2 1 2 循迹小车的设计方案 单片机电路 无线接收 模块 超声波避 障模块 红外测速 模块 电源模块 直流电机 电机驱动 循迹传感 器LCD显示模块 防撞模块 图 2 3 智能循迹小车控制系统结构框图 智能循迹小车主要包括了 STC12C5A60S2 单片机主控电路模块 TSL1401 线性 CCD 循迹模块 NRF24L01 无线接收模块 超声波 HC SR04 避障模块 红外 ST188 测速模块 NOKIA5110 显示模块和 PNMOS 对管构成的 H 桥电机驱动模块等 主要工作原理是通过 TSL1401 线性 CCD 循迹模块采集的黑线路经或 NRF24L01 无线 接收模块接收遥控器的数据 然后由 STC12C5A60S2 产生 PWM 来控制电机驱动模块改变 电机的工作状态 最后实现小车循迹 2 2 系统设计步骤 1 根据设计要求 确定控制方案 2 利用 Altium Designer 设计合理的硬件原理图 3 画出程序流程图 使用 C 语言进行编程 4 将各元件焊接在 PCB 板上 并将程序烧录到单片机内 5 进行调试以实现控制功能 2 3 确定整体控制系统方案 1 主控使用 40 引脚的 STC12C5A60S2 单片机芯片 因为其内部集成 10 位 ADC 2 路 PWM 等 可以节省外围设备 2 整个系统由 7 2V 3V 5V 三种直流电供电 其中 7 2V 电源是由直接提供的可 充电电池供电 5V 3 3V 是通过 7 2V 电池来实现的 3 电机驱动模块由 2 片 PMOS 管 IRF4905 和 2 片 NMOS 管 IRF3205 组成了一个 H 桥 可以通过 PWM 来控制电机的启停和正反转 4 路径识别采用 TSL1401 线性 CCD 通过对赛道黑白的识别来控制舵机转向 5 无线模块采用 NRF24L01 来传输数据 从而可以通过遥控器控制小车 6 避障模块主要是通过超声波 HC SR04 测距 提前控制舵机转向 避开障碍物 7 速度检测模块由红外对管 ST188 检测后轮胎转速 然后数据处理为速度并实时 显示在现实 8 显示模块采用 NOKIA5110